虚拟现实技术如何助力挽救生命

本文系西门子股份公司管理委员会成员Michael Sen发表于WEF官网上的署名文章(中译版)。

2017年,在明尼苏达大学一次里程碑式的手术中,外科医生利用虚拟现实技术(VR)使连体双胞胎姐妹得以成功分离。

为准备这个风险高又复杂的手术,研究人员结合来自MRI和CT扫描的高分辨率图像,创建出连体婴儿共用心脏的三维数字模型。医生能够通过VR眼镜,查看两个核桃大小的心脏,辨明重大的生理缺陷,并权衡分离方案。根据检查结果,医生改变了原定手术方案,采用了另外一种长达9小时的手术方案,拯救了两个幼小的生命。

这听起来像是科幻小说。事实上,“数字化双胞胎”——患者心脏的计算模型,正成为标准医疗服务的一部分。“数字化双胞胎”可以在电脑上查看,可模拟和分析心血管生理机能,并可利用3D打印机打印出来。现在,心脏病专家经常使用三维成像来实现动脉阻塞的可视化,而后再通过手术将其疏通。为矫正婴幼儿严重的先天性心脏缺陷,伦敦大奥蒙德街儿童医院(Great Ormond Street Hospital)的心脏病专家已经开始利用儿童幼小心脏的数字化建模,提前计划手术。

数字化个人虚拟化身

了解患者心脏情况的最佳方法就是看到其活动状态,所以,一颗跳动的“虚拟”心脏的原型正在开发中。实现身体的可视化,一直以来处于医学探索的核心。如今,先进的技术提供了大胆的新方式来查看身体和发现问题。受电影行业中由电脑生成的逼真图像启发,一种被称为“电影渲染”的技术产生了。该项技术通过结合CT和MRI扫描得到的原始数据,利用算法对复杂的光影运动进行三维模拟,甚至能够对光如何穿透活体组织进行建模。其结果是:医生可以通过创建骨骼、肌肉、器官、血管和神经的三维渲染图像,实现前所未有的、从内至外的检查方式。

心脏是第一个以这种方式进行精确建模的器官,包括大脑在内的其他器官的数字化双胞胎正在开发中。最终,我们将有个体患者完整的全身数字化双胞胎,就像是数字化的个人虚拟化身。

该应用十分广泛。肿瘤科医生将能精确评估肿瘤与健康组织的位置关系。骨科医生将能利用先进的三维图像来实现复杂骨折的局部解剖结构的可视化。在卡迪夫大学脑成像中心的一项试点研究中,科学家利用电影渲染技术来研究与多发性硬化症有关的大脑神经元。

借助专门的计算模型,我们可以在宏观和微观层面上创建数字化双胞胎,不仅对器官的形状和结构进行可视化,而且在细胞层面上模拟生物分子过程,包括构成细胞甚至是基因的蛋白质。最新的成像技术甚至可以检测细胞的代谢变化,从而将癌细胞与健康细胞区别开来。

预测建模

换言之,数字化个人虚拟化身将远远不止是花哨的解剖模型,它们将结合患者的细胞、分子、遗传及临床信息。这一先进的个性化医疗将为医生提供对于个体患者病情特点的深刻洞察。通过提前了解患者的基因和分子构成,医生可以确定某种特定药物的效果以及使用的剂量。通过预测建模,健康问题将早在临床症状出现之前就被检测出来。在患者生命过程中收集的数据将有助于深刻理解衰老和健康情况。

这一切的实现有赖于我们有能力利用人工智能和机器学习来分析海量数字化信息。感受一下我们可用数据的规模:西门子医疗已创建的数据库包含1亿多张MRI、CT及其他成像技术形成的图像,并附有相关临床资料,它们被用于训练人工智能算法。其目标是开发有助于医生更好地诊断和治疗多种疾病的算法。

共享且保护数据

我们挖掘的数据越多,我们学到的就越多。但是,管理敏感的医疗数据是一项复杂的任务。目前,共享医疗数据存在竞争、监管和传输方面的重大障碍。一种方案是创建数字化“生态系统”,面向同意共享数据的合作伙伴开放,使用共同的存储和通信系统。

无论作为个体患者还是社会,我们将通过共享医疗数据收获巨大价值。但在数字化的个人虚拟化身时代,我们如何在保护个体患者数据隐私的同时,仍能将数据用于提升医疗技术的共同利益?加密货币比特币的成功提供了一个潜在的可用模型。比特币利用区块链技术,通过将数据分为离散块体存储于不连接到一个共用处理器的分布式数据库中的方式来保护数据。只有拥有加密密钥的人,譬如患者和医生,才能调取数据。其他人只有在获得许可的情况下才可以共享离散部分的数据。借助区块链技术,可将数字化双胞胎与其相应的人关联起来,同时与第三方匿名共享数据。

数字化助力挽救生命

十年前,外科医生戴上VR眼镜通过数字渲染查看患者心脏的想法似乎有些遥不可及。十年后,数字化双胞胎将成为医学上的标配工具,而如今难以想象的奇迹即将到来。诺贝尔奖得主、核物理学家尼尔斯·玻尔(Niels Bohr)曾打趣说:“预测是很难的,尤其是对于未来的预测。”有一件事我们可以肯定地说:数字化医疗将扩大精准医疗、改变医疗服务、改善患者体验。而这将有助于医疗服务提供者以更低成本提供更佳诊疗效果。我们能在几乎每一个层面上对个体患者的身体建模,从心脏结构到癌细胞蛋白质的形状等不一而足,这将有助于带来对生物医学的全新洞见,进而拯救生命。

通过采用先进的三维成像技术实现成功分离的这对名叫Paisleigh和Paislyn Martinez的小女孩,就是生动的例证。

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